基于C/S与B/S混合架构的精细化滑坡监测预警系统设计与实现

邓越　徐永进　唐云辉等

摘要

针对现有精细化滑坡监测预警系统所存在的问题以及滑坡灾害监测预警工作的特点，提出以精细化滑坡监测预警预报模型为核心，GIS和Internet技术为主要技术，采用C/S和B/S混合架构，设计实现了新的精细化滑坡监测预警信息系统。该系统实现了滑坡灾害信息管理、分析、决策、发布的一体化，提高了滑坡灾害监测预警工作的效率，改善了相关工作的技术方法，同时还可为相关管理部门制订防灾减灾决策提供更加详实的科学依据。

关键词 C/S；B/S；GIS；滑坡；监测预警

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）20-06862-04

滑坡作用过程属于一种自然地质现象，但其造成的后果却是一种社会和经济现象，具有灾害性[1]。滑坡灾害是自然环境的一部分，是仅次于地震灾害和洪水灾害的一种严重自然灾害[2-3]，不仅会给人类生命带来威胁，而且会对财产、环境、资源等也造成损失破坏。我国是一个滑坡灾害频发的国家，引起这些灾害发生的原因很多，内在原因包括岩土类型、水文地质、坡体结构等，外在诱发因素包括地震、降雨、融雪以及人工扰动等[4]。在这些诱发因素中，降雨因素是最为主要的因素之一，大量滑坡灾害也都与降雨有着密切关系[5-6]，开展基于降雨预测的滑坡监测预警无疑是减少灾害损失的重要手段。

目前，滑坡监测预警系统多采用传统手段，其结果分发、展示多为文字性信息通过行政文件传达方式进行预报发布，在时效性、空间直观性、受众范围、灾害点位置准确性上还需要进一步完善和改变。计算机网络信息技术的发展、GIS和空间遥感技术的普及以及降雨预报模型技术的进步，使得综合这些技术进行精细化滑坡监测预警管理系统成为可能，笔者将就此展开相关论述。

1 精细化滑坡监测预警

GIS、遥感等技术的快速发展和普及及降雨预测预报技术的发展进步，使得降雨型滑坡灾害的精细化监测预警得以实现。实现精细化滑坡监测预警至少应有两大重要支撑：滑坡风险区划空间精细化和有效降水量空间分布精细化。

滑坡风险区划空间精细化是实现滑坡灾害精细化监测预警的一大支撑。每个滑坡灾害点的地质结构、面积、体积、稳定程度等不同，由降水引发滑坡的几率与危险程度也各不相同，因此需要根据研究区域滑坡灾害风险区划图，利用GIS技术，结合每个区县高分辨率的DEM（地面高程数字模型）、坡度图、坡向图、遥感影像数据、地质灾害发生时间、地质情况、土壤类型、植被覆盖情况、强降水事件等数据资料，采用相关评估技术模型，得出区域内的滑坡风险等级区划图。该区划图应该为分辨率不超过100 m的高精度滑坡灾害风险等级区划成果。

有效降水量空间分布精细化是实现精细化滑坡监测预警的另一支持。降水对滑坡灾害的诱发作用不仅取决于当日降水，还需要考虑滑坡发生之前数日内的累积降水量，即滑坡有效降水量[7-9]。有效降水量是各个气象观测台站包括滑坡发生日及之前一段时间的逐日降水对滑坡总的影响。计算有效降水量的相关模型可以参考相关学者的研究[7-9]，如李媛等在《降雨诱发区域性滑坡预报预警方法研究》一文中将逻辑回归模型引入进行有效降雨量的计算[8]，张桂荣等在《基于WEBGIS和实时降雨信息的区域地质灾害预警预报系统》一书中根据时段内各日降水量离预报日的时间确定其对滑坡的有效降雨系数，用一段时间的当天降雨量分别乘以有效降雨系数得到有效降雨量[9]。得到有效降水量数据后，再利用GIS空间插值技术模型，生成有效降水量空间精细化分布图，即可实现有效降水量空间精细化。

将有效降水量空间精细化分布图与滑坡风险区划进行叠加，根据各滑坡点在风险区划中所处的易滑分区，选择不同滑坡分级指标，确定各个点的滑坡危险等级及发生滑坡的概率，即可实现精细化滑坡监测预警。

2 C/S和B/S相关概念及其特点

C/S软件体系结构，即Client/Server（客户机/服务器）结构，是基于资源不对等，且为实现共享而提出来的，是20世纪90年代成熟起来的技术。C/S结构将应用一分为二，服务器（后台）负责数据管理，客户机（前台）完成与用户的交互任务。

随着Internet技术的发展，B/S软件体系结构，即Browser/Server（浏览器/服务器）结构应运而生。B/S体系结构是对C/S体系结构的变化或者改进，在B/S体系结构下，用户不需要安装额外的应用程序，用户界面完全通过www浏览器实现。

这两种体现结构具有各自优缺点。C/S优点主要表现在界面交互能力强，适合大数据量的处理；缺点在于维护成本高，不利于系统的进一步更新维护，而且多应用于局域网间。B/S优点表现在应用跨平台、实时实地、扩展性强、信息传递方便快速等，但是客户端业务事务处理能力弱[11]。

实现精细化滑坡监测预警系统需要相关的精细化地理空间数据、复杂的空间降雨预测空间计算模型和便利的结果多渠道发布和传播。这些基本的特点决定了单纯的C/S或者B/S结构均不太适用于该系统，根据两种系统的特点，设计一种C/S和B/S混合构架的系统满足精细化滑坡监测预警系统的性能要求就很有意义且必要。该研究将基于此种架构模式设计精细化滑坡监测预警系统。

3 系統设计

精细化滑坡监测预警系统主要是为了满足相关管理部门对滑坡灾害的监测预警日常工作，系统功能应在满足当前业务工作需要的前提下解决目前的类似系统所存在的问题和缺点。该系统以精细化滑坡监测预警为核心功能，通过GIS技术结合现有专业算法模型生成精细化滑坡危险等级预报结果，并利用WebGIS进行结果发布和其他业务数据的管理，融合其他日常相关工作业务功能为一体，实现集滑坡灾害监测预警预报和滑坡灾害信息管理、分析、决策、发布一体化的综合信息平台，为相关管理部门制订科学的防灾减灾措施等提供决策依据，为公众提供一个快速获取滑坡灾害信息的公共渠道。

3.1 系统设计原则

该系统在设计过程中除遵循常规的功能性、易扩充性、实用性、易用性、易移植性等原则外，还要遵循安全性、专业性原则。

安全性原则包括3个层面：①系统功能安全，操作稳定，具有良好的操作容错性；②系统使用安全性，系统根据不同类型的用户，分为系统管理员用户、市局管理用户、区县管理用户、普通用户等几种类型，不同用户具有不同权限，通过权限来保证系统使用的安全性；③系统数据网络安全，系统所使用的数据，无论是高精度的地理空间数据还是气象观测专业数据，都有一定的保密要求，因此对于数据网络安全性需要在设计时进行重点考虑，主要考虑使用防火墙隔离以及网络权限等方式实施。

专业性原则主要是指精细化滑坡灾害监测预警系统具备专业性的特点：①系统结果需符合地质滑坡灾害的专业特点；②降水预报模型采用气象专业降水预测预报模型，符合气象系统专业特点；③系统精细化滑坡灾害的结果分发和呈现通过GIS来呈现，具有GIS技术专业特点。

系统设计过程中，系统安全性和专业性是需要重点考虑的，安全性保证了系统的稳定运行以及数据安全，专业性则保证了系统结果的正确性和符合专业人员的使用习惯，GIS专业特性则保证了结果的展现方式不同于传统以及结果发布渠道的便利性，把握好这两项原则对于系统设计至关重要。

3.2 系统架构

综前所述，该系统采用C/S和B/S相混合的“内外有别”模式[12]，混合模式结构如图1所示。服务端部署在政府有关管理部门，负责数据的储存管理与服务发布。部门内部采用C/S架构，实现海量空间数据的高速传输。C/S架构体系面向客户分为工作人员和管理人员。工作人员负责滑坡灾害相关数据的处理以及滑坡灾害预测生成与发布，并将预报结果上传至服务端数据库。管理人员负责对滑坡灾害信息、系统用户和用户权限进行管理。部门外部采用B/S架构体系，户外工作人员和公众普通用户只需通过Internet网络使用HTTP的方式进行访问，即可实现实时、实地浏览查询滑坡灾害信息及相关数据。

3.3 系统逻辑结构

系统逻辑结构如图2所示，采用3层架构，从下到上依次是数据层、服务层、表现层。

数据层是系统的底层，主要包括空间数据库、属性数据库和本地资源的建设、管理，维护各种数据之间的关系，并提供数据备份、数据存档、数据安全机制，为整个系统提供数据源的保障。服务层是系统结构的核心，负责接收来自客户端的请求，并根据用户请求类型做出对应的响应，同时，通过与业务数据库的交互来完成对业务数据的处理请求。表现层面向用户层次，为用户提供界面展示，以及提供用户向服务端请求的操作接口。

在该3层结构中，服务层和表现层也进行了不同子层次的细分。服务层自下向上分为数据访问层、服务逻辑层、业务逻辑层、服务发布层。数据访问层负责业务数据的持久化和访问，实现对数据库的集中操作，向下与数据库交互，向上提供数据操作接口；服务逻辑层利用下层数据操作的接口获取业务服务数据；业务逻辑层进行业务逻辑的计算，完成气象有效降水、滑坡预报预警等模型的模拟运算，向上层提供这些业务模型逻辑调用的程序接口；服务发布层将服务逻辑层的业务逻辑接口包装服务，并将生成的结果进行服务发布。表现层自底向上分为服务调用层、操作逻辑层、结果显示层。服务调用层调用应用服务器发布的服务；客户逻辑层基于下层的调用的服务接口，在客户端完成逻辑计算，为上层提供逻辑接口；结果显示层负责界面的展现，及响应用户在客户端的交互操作请求，完成对下层逻辑接口的调用。

该系统结构设计中，应用服务器部署在同一个位置，且不管是C/S结构还是B/S结构都采用同一个应用服务器，即同一个服务器上部署不同的服务系统软件。这种模式的架构具备较强的可维护性与扩展性。此外，基于数据的安全性考虑，除系统管理员外的所有用户均不能直接访问系统数据库，必须通过系统客户端来访问数据库数据，使得底层数据对普通用户安全隔离，从而保证系统数据的安全。

图2 系统逻辑分层

3.4 系统功能设计

系统功能设计采用功能分类模块化的设计理念，按照客户端类型分为C/S客户端功能和B/S客户端功能，不同类型客户端拥有相同的功能模块，同时也具有不同的功能模块。将客户端功能分为3种类型：C/S独有功能模块、公有模块、B/S独有功能模块。此外，系统服务器端还具有数据实时调用、业务数据处理、预报结果生成以及服务发布等功能模块（图3）。

图3 系统功能模块结构

3.4.1

用户管理。主要包括C/S端的全部用户管理模块和B/S客户端的区县用户管理模块。这两个模块主要针对不同级别的用户使用，系统管理可以对整个系统的所有区县的所有用户进行用户权限配置、用户添加、用户删除等操作；区县用户管理模块主要由系统管理指定的区县管理使用，主要针对区县一般用户进行各项用户管理操作。对于两个模块而言，管理员用户可以审核用户申请信息，是否允许注册，可以查看已注册用户的相关信息，分配用户权限等；普通用户只能通过客户端界面提交用户申请注册操作，或作为游客进行有限的浏览查询操作。

3.4.2

地图数据管理。地图数据管理为C/S端功能模块，主要完成所在区域的地理空间数据和属性数据的管理功能，包括数据的采集、添加、修改、删除、查询、浏览、保存等；此外，还有地图文档的渲染定制和地图服务发布管理等功能，借助GIS通用功能模块的放大、缩小、移动、选取等GIS操作，进行地图数据浏覽。

3.4.3

灾害信息管理。该功能模块用于滑坡灾害相关数据，如滑坡灾害点数据、气象台站数据的浏览、查询、编辑。以滑坡灾害点数据为例，灾害点查询按照灾害点的属性字段进行查询，如按照滑坡灾害等级或者滑坡时间或者滑坡编号等属性字段，查询结果在滑坡灾害点分布地图上高亮闪烁显示；点击滑坡灾害点要素，可以进行滑坡灾害点属性查询，将该滑坡灾害点属性以表格形式展示，并可对属性值进行编辑。此外，还需要将各数据的查询结果进行数据导出保存，可以导出为EXECL电子表格、文本文件、XML等多种数据格式，为用户所用。灾害点的编辑，除属性编辑外，还有灾害点的添加、删除、移动等GIS操作管理。

3.4.4

降雨数据监测。降雨是引发地质滑坡灾害的主要诱因之一，因此降雨数据的监测十分重要，除此之外还需要对系统区域内的降雨进行有效的预测预报，作为滑坡灾害预报的主要辅助数据。系统采取定时自动和手动两种模式，从市气象局服务器接收实时降雨数据，并将接收的降雨数据解析入库；同时根据气象预报数据和降雨预报计算模型计算出未来24、48、72 h的台站有效降雨结果，并作为预报数据入库。此外，该模块还可对降雨数据进行包括最大降雨量、最小降雨量、平均降雨量、阶段降雨量等各种查询，查询结果以表格和统计图表形式进行展现。此外，该模块提供降雨等值线和等值面分析，为研究降雨数据的分布趋势提供直观展示。所有入库降雨数据将作为滑坡灾害预报模型的降雨数据来源。

安徽农业科学 2014年

3.4.5

滑坡预警发布和预报结果生成。滑坡预警发布功能模块依赖服务器端的预报结果生成模块，作为系统的核心功能之一，主要完成对服务器端生成的滑坡灾害预报结果进行网络发布，有权限的用户也可以向服务器端发送请求，生成新的预报结果；此外，还可以对历史结果进行管理，以满足有相关需求的用户。

系统服务器端预通过对气象观测台站的降雨监测数据和降雨预报数据的处理，生成区域内所有格点的降雨数据结果，然后采用现有滑坡灾害预测模型进行相关处理，生成滑坡危险等级预报分布图，根据产品制图模板进行自动制图处理，最后生成滑坡灾害危险等级分布图的产品。系统服务器端将生成产品存放于服务器端数据库，同时将当天和未来3 d的滑坡灾害危险等级分布图进行网络发布，使有需求的任何用户都可以通过Web浏览器自行浏览查看，有权限的用户还可以生成图文一体的报告文件，并通过电子邮件或其他渠道分发到相关用户单位。

3.4.6

其他。服务器端地图服务管理功能，使有权限的用户可以对所有历史产品和已经发布的地图产品进行管理，可以手动修改发布的服务信息；B/S客户端多媒体展现模块用于展现滑坡灾害相关的多媒体资源，如文献资源、图片资源、视频资源等，用于对公众进行滑坡灾害相关知识的宣传普及，加强公众对滑坡灾害的防范意識；其他还有诸如降水预报管理发布、气象资料统计管理和系统设置等功能在此都不再一一赘述。

3.5 系统数据库设计

精细化滑坡监测预警系统数据库由基础地理数据、滑坡信息专题数据、气象监测预报数据、遥感影像数据以及属性数据等几大类数据组成。基础地理数据主要包括区域各级行政边界、水系（河流、沟渠、水库、湖泊）、居民点分布、地形、地面高程数字模型、交通、气象观测站、土地利用现状、等数据；滑坡信息专题数据包括地质滑坡灾害等级区划、滑坡灾害信息点、滑坡灾害评估、滑坡灾害信息点图片视频等数据；遥感影像数据包括区域内的一定精度的卫星遥感影像图；属性数据包括所在区域的社会经济数据、气象监测数据、气象预报数据、滑坡灾害的统计评估数据等；基础地理数据除了参与滑坡灾害预警预报分析之外还与遥感影像数据一起作为地图背景显示，形成逼真效果；滑坡信息数据则主要用于滑坡历史信息的统计分析管理等；属性数据则用于查询统计分析和灾害结果评估。

系统数据从数据类型又可以分为空间数据库和非空间数据库。针对上述复杂数据类型，系统数据库主要采用Microsoft SQL Server2008作为数据库管理软件，通过ArcSDE for SQL Server进行地理空间数据的管理，最终实现空间和非空间数据的一体化管理。对C/S客户端而言，常用的地理空间数据库，可以采用ESRI的Geodatabase进行访问管理，第一次使用时，从系统数据库服务器下载到本地，并创建Geodatabase数据库来存储离线数据，此后C/S用户不需要每次都从服务器访问地理空间数据，进而减少数据库服务器的负担，同时也减轻局域网的网络传输压力。用户可以通过数据更新来保证地理空间数据的一致性。系统数据库架构如图4所示。

4 系统应用

根据该研究技术路线，设计开发实现了重庆市精细化滑坡监测预警系统，系统主界面和部分运行界面如图5所示。